Teplonosné kapaliny

V průmyslových procesech se většinou používá nepřímý přenos tepla prostřednictvím kapalných teplonosných médií. Výhodou toho způsobu přenosu tepla je stejnoměrný, velkoplošný přenos tepla, možnost centrálního uspořádání zdroje tepla a současná obsluha více spotřebitelů. Jako médium pro přenos tepla se nabízí zejména voda, kterou lze nasadit v beztlakém systému do 100 °C a v tlakových zařízeních ve formě páry až do cca 200 °C. Pro vysoké teploty je však výhodnější použití organických teplonosných médií, která umožňují beztlaký provoz v širokém teplotním rozmezí, hospodárnou údržbu a jednoduchou manipulaci. Většinu používaných teplonosných kapalin představují ropné oleje. Jsou použitelné do teplot 300 - 350 °C a kromě přenosu tepla zajišťují také ochranu proti korozi, mazání některých částí zařízení, mohou být v beztlakém režimu ohřívány a chlazeny, jsou zpravidla fyziologicky nezávadné a bez zápachu. ZAŘÍZENÍ NA PŘENOS TEPLA Stavební provedení zařízení na přenos tepla má pro zachování kvality a dlouhé životnosti teplonosného média rozhodující význam. Je důležité, aby: ? v zařízení se nenacházela šroubová spojení, barevné kovy a porézní litina ? potrubí byla spojena pouze bezvadnými svary ? ventily (ocelové, litinové) byly opatřeny vlnovcovým těsněním a bezpečnostními ucpávkami ? tlaková zkouška celého zařízení včetně spotřebičů byla uskutečněna tlakovým vzduchem o tlaku 1,5 - 2 bar (ne vodou), vyhledány a odstraněny veškeré netěsnosti, případná voda v systému musí být důkladně odstraněna. OLEJOVÝ OKRUH Cirkulace oleje může být zajištěna buď nuceným oběhem s olejovým čerpadlem nebo přirozeně na základě rozdílu v hustotě teplonosného média při různých teplotách. Systémy bez nuceného oběhu média se často předělávají na nucený oběh, protože u nich často dochází k místnímu přehřívání média a v důsledku toho k jeho krakování, tvorbě úsad a zhoršování přestupu tepla, čímž se zkracuje životnost teplonosného oleje, který v konečném důsledku představuje vyšší náklady než úspora cirkulačního čerpadla. ROZDĚLENÍ TEPLOT Obvyklé teplotní rozdíly mezi teplonosným olejem před a po předání tepla jsou 20 - 25 °C. U malých zařízení to může být pouze 10 °C, u velkých zařízení až 40 °C. Se zvětšujícím se rozdílem teplot se prodlužuje životnost teplonosné kapaliny. Podstatné je, aby se nepřekročila horní teplotní hranice, na kterou je teplonosný olej ohřát, jinak se jeho životnost zase podstatně zkracuje. Ideální teplotní rozsah, umožňující dosažení dlouhé životnosti teplonosiče, leží mezi 30 až 50 °C pod maximálně přípustnou teplotou jeho ohřevu. Maximálně přípustné teplotní zatížení teplonosného oleje (teplota olejového filmu v bezprostředním kontaktu s teplosměnnou plochou) nesmí překročit rozkladnou (krakovací ) teplotu oleje. Před najetím ohřevu musí být v chodu cirkulace oleje, stejně tak jako po vypnutí ohřevu musí olej cirkulovat ještě tak dlouho, aby stačil odvést teplo z ohřívaných ploch a aby nedošlo k jeho místnímu přehřátí. Při zastavení nebo výpadku cirkulace oleje musí být zařízení jištěno ochranou proti přehřátí, která automaticky vypne topení. Optimálního sdílení tepla se dosahuje při turbulentním proudění teplonosné kapaliny, tj. při Reynoldsově čísle vyšším než 3000, nejlépe při Re přes 10 000. K tomu je samozřejmě nutné dostatečně výkonné cirkulační čerpadlo a dostatečně nízká viskozita teplonosné kapaliny. OBJEMOVÁ ROZTAŽNOST A ODPLYŇOVÁNÍ TEPLONOSNÉ KAPALINY Při návrhu zařízení je třeba počítat s objemovou roztažností teplonosné kapaliny a na nejvyšší místo cirkulačního okruhu umístit expanzní nádobu. Spojení s dlouhým vertikálním potrubím umožňuje dostatečné chlazení oleje v expanzní nádobě, ve které olej může přijít do styku se vzduchem a chladnější olej nepodléhá tak snadno oxidačnímu stárnutí. Pro zařízení, ve kterých pracovní teplota teplonosného oleje přesahuje 200 °C, je výhodné, když je do expanzní nádoby přiváděn inertní plyn (vysoce čistý dusík) s protitlakem menším než 100 mbar. Vrstva inertu je nejlepší ochranou olejové náplně proti oxidačním změnám. Běžné antioxidanty použité v oleji jsou totiž při provozních teplotách vyšších než 200 °C nestabilní a po relativně krátké době neúčinné. Nízkovroucí složky, neustále vznikající v teplonosném oleji, způsobují dramatický pokles bodu vzplanutí oleje, např. z hodnoty 230 až na 100 °C, což bývá považováno za spodní mez bodu vzplanutí. Strmost poklesu bodu vzplanutí je primární funkcí pracovní teploty. Pokles bodu vzplanutí až ke spodnímu limitu však nemusí znamenat výměnu oleje. Je možné zvýšit teplotu v expanzní nádobě , která se obvykle pohybuje pod 60 °C, na úroveň bodu vzplanutí čerstvého oleje a tak jej odplynit. Za tím účelem jsou expanzní nádoby vybaveny vyhříváním. Těkavé podíly se musejí odvést bezpečným způsobem do atmosféry nebo zkondenzovat. Aby se zabránilo zvýšené oxidaci oleje během odplyňování, musí se zabránit přístupu vzduchu k hladině oleje. To se provádí rovněž dusíkem o čistotě alespoň 99,99%, jinak je zbytkový kyslík v dusíku schopen výrazně urychlit oxidační stárnutí. FILTRACE Je vhodné umístit filtry na sací stranu čerpadel aby se do čerpadel nedostaly jakékoliv mechanické nečistoty ze systému, tj. rez, okuje (u nově najížděných zařízení), pevné degradační zplodiny z oleje ap. Životnost teplonosných olejů může významně prodloužit také filtrace oleje v obtokové větvi hlavních filtrů, když se použijí obtokové filtry z nerezové oceli, schopné zachycovat nečistoty do velikosti 10 µm s minimálně 10% průtokem oleje obtokovou větví. TĚSNICÍ MATERIÁLY Použité těsnicí materiály musejí samozřejmě odolávat působení teplonosné kapaliny a to i při vysokých pracovních teplotách. Běžné termoplastické materiály a běžné typy kaučuků nesplňují požadavky na požadovanou stálost. Obvykle se používají kovová a grafitová těsnění, manžety a těsnění z měkkých kovů. PROVOZ NOVÉHO ZAŘÍZENÍ Při prvním plnění je třeba provést důkladný proplach zařízení a tím ho důkladně zbavit rzi, okují a jiných zbytků po sváření. Před vlastním plněním je třeba celý systém důkladně vysušit. Plnění teplonosnou kapalinou se uskutečňuje většinou z nejnižšího místa zařízení, přičemž všechny armatury včetně obchvatů musejí být otevřené. Nejvyšší místo systému musí být odvzdušněno. Během plnění se současným pomalým zahříváním náplně na teplotu do cca 100 °C je třeba systém dobře odvzdušňovat, aby se olej zbavil zbytkové vlhkosti. Přitom je výhodné zvýšit teplotu také v expanzní nádobě aby se zabránilo kondenzaci vlhkosti a zároveň provádět proplach inertním plynem, kterým se odstranění vlhkosti urychlí a tak se prodlouží životnost olejové náplně. Po odstranění vlhkosti se zařízení pomalu zahřeje na provozní teplotu a upraví se množství teplonosné náplně. Různé teplonosné kapaliny se mohou ve stádiu najíždění chovat různě a přesto se při normálním provozu jejich chování prakticky neliší. Během prvních týdnů provozu je vhodné opakovaně čistit filtry. Lze doporučit, aby se v této fázi provozu použily i jemné obtokové filtry. VÝBĚR TEPLONOSNÉ KAPALINY Vhodnost teplonosné kapaliny je dána v první řadě nejvyšší a nejnižší pracovní teplotou. Rozsah směrem nahoru určují vlastnosti spojené s vedením a přestupem tepla, rozsah směrem k nejnižším teplotám je dán především viskozitou kapaliny. Maximální pracovní teploty, pro které jsou teplonosné oleje určeny, nelze překračovat, protože hrozí počínající destilace oleje, event. jeho termický rozklad. Fyzikální vlastnosti teplonosných kapalin, zvláště viskozita, jsou silně závislé na teplotních podmínkách. Při najíždění zařízení musejí být kapaliny dobře čerpatelné, tj. mít dostatečně nízkou viskozitu za nízkých teplot a stejně tak je nízká viskozita žádoucí i při provozních podmínkách, kdy zlepšuje přestup tepla. TERMICKÁ STABILITA A ŽIVOTNOST TEPLONOSNÝCH KAPALIN Všechny organické teplonosné kapaliny podléhají při nadměrném tepelném zatížení rozkladu, při kterém se tvoří plynné, nízkovroucí kapalné, vysokovroucí kapalné rozkladné produkty a také tuhé rozkladné produkty. Plynné produkty tepelného rozkladu, hlavně vodík a methan a nejtěkavější část nízkovroucích kapalných rozkladných produktů, drasticky snižují bod vzplanutí teplonosné kapaliny a je proto žádoucí průběžně je odstraňovat přes expanzní nádobu. Vysokovroucí kapalné rozkladné produkty se naproti tomu v teplonosné náplni hromadí. Rozklad teplonosného oleje závisí na teplotě a složení oleje. Teplota rozkladu zpravidla nekoresponduje s horní hraniční pracovní teplotou. Hraniční teplota použitelnosti teplonosného oleje by měla být nastavena tak, aby byl při jejím dosažení olej schopen provozu minimálně jeden rok. Přitom je běžné, že se organické teplonosné kapaliny v důsledku termického namáhání strukturně mění. U minerálních olejů dochází k termickému rozkladu již při 250 °C, u syntetických olejů při 300 °C. Rychlost termického rozkladu oleje stoupá exponenciálně s teplotou a to tak, že při zvýšení teploty o 10 °C se přibližně zdvojnásobuje. Částečně rozložený teplonosný olej je nadále použitelný. Problémy mohou nastat až tehdy, když se vysokovroucí a tuhé rozkladné produkty v důsledku omezené rozpustnosti oddělují z kapalné fáze a začnou se usazovat na teplosměnných plochách či jinde v systému nebo když se začnou významně měnit technické parametry oleje. Kritickou horní teplotní hranicí pro teplonosné oleje je maximální přípustná teplota olejového filmu, která nesmí být v žádném případě a v jakémkoliv místě systému překročena. ODSTRAŇOVÁNÍ NÍZKOVROUCÍCH PODÍLŮ ZE ZAŘÍZENÍ Při silném poklesu bodu vzplanutí teplonosného oleje je třeba z něj těkavé podíly odstranit. To se děje vyhřátím expanzní nádoby na maximální provozní teplotu oleje a následnou kondenzací nízkovroucích podílů v kondenzátoru a odlučovači. K urychlení procesu odstranění nízkovroucích podílů je výhodné nechat nad hladinou oleje v expanzní nádobě proudit čistý dusík o tlaku 1,5 bar. Dalšího urychlení se dosáhne, když se dusík přivádí tryskami do spodní části expanzní nádoby, probublává olejem a stripuje těkavé podíly, které unáší do kondenzátoru. ČIŠTĚNÍ SYSTÉMU PŘI VÝMĚNĚ TEPLONOSNÉ KAPALINY Před naplněním nového teplonosného oleje je třeba celý systém vyčistit. Výhodné je použití systémových čističů, které se přidávají v koncentraci 2-3 %, u silně znečištěných zařízení 5-6 % na objem olejové náplně. Přídavek čističe se provede při teplotě cca 100 °C. Poté se teplota zvýší na 120 až 150 °C a olej s čističem se nechá 1 až 2 dny cirkulovat v systému. Po vypuštění starého oleje s čističem se u silně znečištěného zařízení ještě doporučuje provést průplach zařízení (např. neaditivovaným strojním olejem stejné viskozitní třídy jakou má teplonosný olej), který by měl cirkulovat v systému při 90-120 °C po dobu 6-12 hodin. Koksovité úsady uvolněné předtím systémovým čističem se přitom v proplachovacím oleji rozpustí. ÚDRŽBA A KONTROLA Mísení různých teplonosných olejů je bez souhlasu jejich dodavatelů nepřípustné, protože se tím mohou podstatně změnit důležité aplikační vlastnosti. Před zamýšleným smísením olejů od různých dodavatelů lze také doporučit provedení zkoušek vzájemné mísitelnosti a snášenlivosti. Za účelem kontroly stavu olejové náplně, především s ohledem na její další použitelnost či na potřebu výměny, se jednou ročně provádějí kontrolní rozbory. Pro kontrolní analýzu se odebírá 100 ml vzorku, pro kompletní analýzu 1 l vzorku. Pro správnou interpretaci laboratorních dat je potřebné znát od provozovatele zařízení provozní údaje související s teplonosným olejem, jako např. provozní teplotu oleje, počet provozních hodin a údaje z provozního deníku. V rámci kontrolní analýzy se v laboratoři posuzuje vzhled, zápach vzorku a jeho bod vzplanutí. V rámci kompletní analýzy se navíc zjišťuje viskozita, neutralizační číslo, míra oxidace, karbonizační zbytek a podíl nerozpustný v n-heptanu. Těmito parametry lze nejlépe postihnout změny, ke kterým dochází během celkové provozní doby teplonosného oleje v důsledku jeho přehřátí, oxidačního stárnutí nebo kontaminace cizími látkami. Zdroje možných poruch ? konstrukční a výrobní závady při výstavbě zařízení ? instalace ohřívače ? problémy s těsněním ucpávek, vlnovců, šoupat, ventilů, přírub a šroubení ? netěsnosti v systému ? nebezpečí při svářečských pracích ? exploze spalin v olejových a plynových ohřívačích ? změny kvality teplonosného oleje v důsledku přehřátí nebo průniku vzduchu ? kolísání tlaku v zařízení v důsledku rychlého stárnutí teplonosného oleje a kavitace v oblasti čerpadel. POUŽITÍ TEPLONOSNÝCH KAPALIN Výhodou používání teplonosných olejů oproti používání páry nebo horké vody jsou nižší investiční a provozní náklady. Teplonosné oleje jsou navíc neutrální vůči oceli a litině, jsou netoxické, bez zápachu a jejich životnost bývá několik let. Oleje jako teplonosná média se nejčastěji používají v následujících průmyslových odvětvích: ? obalovny asfaltových směsí ? zpracování ropy ? průmysl barev a laků ? výroba plastů a umělých vláken ? gumárenský průmysl ? výroba pracích prostředků ? průmysl stavebních hmot ? textilní průmysl? potravinářský průmysl ? tabákový průmysl ? papírenský a dřevařský průmysl ? chemický a farmaceutický průmysl ? nádrže na skladování a přepravu vysokoviskózních kapalin. Teplonosné kapaliny nacházejí uplatnění i v řadě dalších aplikací, jako např. při vytápění bytů, obchodních domů, velkých kanceláří a skladů nebo např. v solárních kolektorech. DOC. ING. PETR KOZÁK, CSC. OMV ČESKÁ REPUBLIKA